水工洞室中錨桿質量無損檢測技術研究

邵 帥

(盤錦水務集團有限公司，遼寧 盤錦 124010)

水電站地下引水發(fā)電系統主要由尾水工程、引水隧洞、地下廠房、進出水口等組成，這些結構大多需要錨桿施工，錨桿長度介于3-15m之間，洞室的安全穩(wěn)定與系統工程中的錨桿直接相關，因此現場評價和控制錨桿質量極其重要。20世紀80年代為檢測錨桿錨固質量最先應用了超聲波技術；20世紀90年代，為了檢測錨桿長度和應變，美國礦業(yè)管理局開發(fā)了頂板錨桿黏結力測定儀；1996年，中國學者王鶴齡等研制了MT-1型錨桿檢測儀；2000年以來，對錨桿砂漿密實度、長度等參數的檢測，國內許多學者從應力波的角度做了初步探究，并取得豐碩的成果[1-4]。針對水利工程全長黏結型錨桿的注漿密實度及其有效錨固長度，文章結合工程實踐全面評價了錨桿的施工質量。

1 錨桿質量無損檢測技術

1.1 應力波反射檢測原理

對于直徑d遠<長度l且為圓柱體的工程錨桿構件，可以對錨桿利用彈性波一維桿件理論分析，周圍巖(土)與砂漿、錨桿鋼筋膠結成一體的波阻抗存在明顯差異。所以，可以用一維彈性桿件替代錨固系統(砂漿與鋼筋)，錨桿無損檢測圖，見圖1。

依據彈性波反射原理以及應力波理論，經推導運算建立錨桿系統中彈性波的波動方程，其表達式為：

(1)

式中：u為X方向某點位；K、C為剛度系數和彈性阻尼系數；E、A為彈性模量和橫截面積；Vp、t為固結波速和波的傳播速度。

圖1 錨桿無損檢測圖

1.2 注漿飽和度檢測

在圍巖-砂漿-錨桿體系中，注漿基本完整且砂漿飽和度較好時其波阻抗幾乎無變化，當局部砂漿飽和度出現改變時則該部位底、頂界面波阻抗發(fā)生相應的變化。通過測定圍巖-砂漿-錨桿中應力波傳播的阻尼情況，桿低端反射信號衰減度、頻域、強弱及時域等即可評定錨桿注漿飽和度。

1.3 錨桿長度檢測

豎向激振鋼筋端部，彈性波沿著鋼筋傳播并與周圍砂漿產生明顯波組抗界面，該條件下會產生反射波。所以，將檢波器附于鋼筋孔口處，可以實現對彈性波反射和傳播信號的檢測，通過數據分析、信號接受和放大處理等操作，能夠識別來源于各部位的反射信息，利用獲取的反射波走時t計算出錨桿長度，計算式為L=Vp×t/2。實際上，獲取清晰可見的底端反射和確定固結速度Vp是檢測錨桿長度最關鍵的因素，一般通過現場試驗標定可以測出固結速度。

固結波速是錨桿錨固質量評價的主要參數，這是經過錨桿錨固段時激發(fā)應力波的速度，其中錨桿錨固段是圍堰和錨固劑、錨桿共同組成的體系。研究表明，黏結強度越高、錨固質量越好則固結波速越低，與錨固介質的波速也就越接近；錨桿完全沒有黏結或者錨固質量越差，則錨桿桿體的波速等于或更接近于固結波速。

1.4 測試方法技術

采取以瞬態(tài)為輔、穩(wěn)態(tài)為主的測試方法，應用到的錨桿質量檢測儀型號為JL-MG(D)型；超磁發(fā)射震源采樣間隔為1μs-200μs，其連續(xù)發(fā)射時間間隔≤20ms；此外，還應用到高阻尼速度傳感器、加速度傳感器。采用黃油等將激振器、檢波器耦合于桿側和桿端，實測時域曲線利用儀器記錄。通過準確分析實測時域曲線的相位、幅值、頻譜、時域等，科學的評價錨桿質量，單體錨桿施工質量標準，見表1。

表1 單體錨桿施工質量標準

2 錨桿波形響應特征

根據技術規(guī)范和相關工藝流程現場制作20根模型錨桿，錨桿直徑處于Φ25-40mm之間，選用M30強度等級砂漿。對模型錨桿人為設計一定的缺陷，為便于判別可設計成空漿缺陷。室內模型錨桿的鋼筋長度取5.8-7.5m，砂漿厚度設計成40cm，不同規(guī)格錨桿模型檢測結果，見表2。通過深入分析現場測試的模型錨桿波涌，確定判別錨桿缺陷的主要依據。

表2 不同規(guī)格錨桿模型檢測結果

2.1 無缺陷錨桿的波形識別

該類錨桿的底端無反射或反射微弱，能量衰減快且波形規(guī)則，1#全密實模型錨桿波形圖，見圖2。該類錨桿的漿液與桿體的飽和度普遍達到90%，注漿密實、膠結良好且未發(fā)現空漿現象。

圖2 1#全密實模型錨桿波形圖

2.2 缺陷錨桿波形特征

2.2.1 內部某段空漿缺陷

該類錨桿具有不規(guī)則的波形，其空漿段前后端反射明顯或波形畸形，可以確定空漿段的密實度及其長度，局部空腔錨桿波形圖，見圖3。

2.2.2 注漿欠密實

該類錨桿具有復雜的波形，一般難以給予準確的判斷，錨桿注漿欠密實波形圖，見圖4：①漿液與桿體無明顯空漿現象，兩者能夠比較均勻的膠結，但飽和度大多處于75%-90%，錨桿注漿不夠密實，波形檢測相對規(guī)則，8#錨桿注漿欠密實但均勻，圖4(a)；②模型錨桿存在局部缺陷，鋼筋附近圍裹的不均勻介質將引起該部位波形畸變或產生強烈的反射波信號；③由于巖石、砂石和鋼筋三者的波阻抗的差別較為明顯，一般出現較明顯的反射波信號，12#錨桿內部細微缺陷，見圖4(b)。

(a)5#錨桿終端空漿缺陷 (b)15#錨桿前端空漿缺陷

(a)8#錨桿注漿欠密實但均勻

(b)12#錨桿內部細微缺陷

2.2.3 全脫空缺陷

該類錨桿與自由錨桿具有相似的檢測波形，波形規(guī)則且反射能量衰減較慢，底部具有強烈的反射，以足夠長的采集時間則可以獲取多次重復反射。因此，該條件下計算波速較高接近鋼筋本身波速。

2.3 實例應用

以某水電站5#施工支洞和進廠交通洞為例，無損檢測錨桿質量狀況。尾水洞-廠房西側布置有進廠交通洞，進廠方式設為水平正交，工程區(qū)錨桿圍堰為花崗巖，標準斷面凈寬7.5m，凈高8.4m。

通過綜合評定，某標段隨機檢測的30根錨桿合格及以上的有28根，所占比例達到93.3%，其中優(yōu)良級錨桿16根，優(yōu)良率達到53.3%；錨桿檢測不合格級有2根，所占比例6.67%，錨桿無損檢測成果表，見表3。

表3 錨桿無損檢測成果表

綜上分析，所測錨桿底部和淺部屬于注漿飽和度缺陷的集中區(qū)，主要表現為基本無漿或飽和度較差等。深入分析可知，插筋時錨固劑因封堵孔口不嚴而出現漏損，從而導致注漿飽和度缺陷。相對于系統錨桿的合格率，隨機所測錨桿相對偏低，這是由于裂隙水及洞壁巖體完整性等差異所造成的。

3 結 論

目前，錨桿質量無損檢測技術在工程物探領域中的應用日趨廣泛，這也體現了無損檢測技術在工程檢測中的應用前景、地位和作用普遍看好。另外，該方法具有數據處理方便、精度高、檢測速度快、操作穩(wěn)定可靠、性能良好以及操作簡單等優(yōu)點，檢測結果可以為加固設計水工隧洞等奠定了堅實基礎。

通過總結和分析模型錨桿無損檢測方法，為合理評判錨桿質量缺陷確立判定標準，為進一步推廣應用該方法提供了技術支持。